Začátkem osmdesátých let vešly do provozu legendární raketoplány, od kterých si NASA mnoho slibovala. Jelikož se ale od pionýrských dob kosmonautiky zásadně změnil přístup politiků k financování vesmírných programů, Američanům nezbyly peníze na jiný ambiciózní program, poněvadž  Space Shuttle spolykal většinu dolarů vyčleněných pro americkou vesmírnou agenturu. Rusové mezitím vládli na nízké oběžné dráze ze svých orbitálních stanic Saljut a Spojené státy v této oblasti začaly zaostávat. Výzkum dlouhodobého pobytu lidí ve vesmíru, vývoj technologií, které jim tento pobyt umožní a mnoho dalších experimentů spojených s kosmickými stanicemi byl klíčový pro budoucí rozšiřování pole působnosti dál za hranice vlivu naší mateřské planety. Rusové měli značný náskok a pyšná světová velmoc na druhé straně Země neměla dostatek financí na svou vlastní orbitální stanici. Bylo potřeba najít nějaké levné a přitom efektivní řešení, které by Američanům dopomohlo k získávání cenných zkušeností a vědomostí. A právě v tento problematický okamžik přichází na scénu Evropská kosmická agentura a nabízí pomocnou ruku.

Stanice Saljut znamenala pro Sovětský svaz velký náskok před USA v oblasti dlouhodobého pobytu na oběžné dráze.
Zdroj: http://3.bp.blogspot.com/

Kořeny tohoto projektu evropsko-americké spolupráce ale sahají o něco hlouběji do minulosti, konkrétně až do roku 1972. Tehdy po zdlouhavých jednáních delegace NASA v Evropském výzkumném středisku vesmíru a technologií (ESTEC) odsouhlasila, že nejvhodnější účasti Evropy na americkém programu nastupujícím po hvězdné éře Apolla, bude tzv. výpadový modul, lépe známý jako Spacelab. Jednalo se o dva návrhy užitečného zatížení, které by bylo vyneseno v nákladním prostoru raketoplánu. Prvním byla hermetická laboratoř, ve které by mohla pobývat posádka a provádět experimenty v podmínkách mikrogravitace. Druhou možností byly externí platformy a palety vhodné pro realizování experimentů v otevřeném kosmickém prostoru. Z pohledu NASA mělo toto začlenění Evropanů do jejich programu především politické důvody. Částí administrativy prezidenta Nixona bylo přání obnovit obnovit vztahy s Evropou a posílit legitimitu amerického vedení během nepříjemné války ve Vietnamu. Pro Evropany bylo ale v sázce daleko více než přínos z vědeckých pokusů. Spacelab poskytoval relativně levné zasvěcení do pilotovaných letů. Umožňoval jim získat potřebné odborné znalosti díky spolupráci na probíhajících amerických komplexních technologických programech a dal jim přístup k americkému technologickému know-how. Mezi evropským vesmírným programem té doby a tím americkým byla, jak víme, propastná mezera a toto šikovné řešení ji mělo zmenšit.

Program však měl i své oponenty. Ti především považovali dobu trvání jednotlivých misí za velmi krátkou. Jeden z odpůrců dokonce uvedl, že se jedná spíše o superbalón nebo super sondážní raketu. Nutnost opakovaných letů vyžadovala vysoké finanční náklady. Dalším protiargumentem programu bylo, že plyny vzniklé při některých experimentech by se mohly uvolnit do ovzduší laboratoře a s ní spojeným raketoplánem a ohrozit posádku. Úsilím těchto oponentů bylo, aby se Spacalab skládal pouze z externích palet bez hermetického modulu pro posádku. Naštěstí zmíněných pro bylo daleko více než proti. Ve prospěch Spacelabu mluvila především obrovská užitná hmotnost, která byla v přepočtu na kilogram neporovnatelně levnější než tradiční vědecké družice. Navíc lidská intervence byla při složitých pokusech nenahraditelná.

Podpis Memoranda o porozumění mezi zástupci ESRO a NASA v roce 1973.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

V roce 1973 bylo podepsáno Memorandum o porozumění. Obsahem této dohody bylo, že ESRO navrhne, vyvine, vyrobí a dodá první exemplář orbitální laboratoře Spacelab. NASA přitom měla poskytovat manažerské a technické poradenství a po dodání Spacelabu měla převzít veškeré operační řízení. Navíc trvala na tom, že první vyrobenou jednotku bude mít k neomezenému použití zdarma a bude na ní moct vykonávat libovolné úpravy. Pokud by byla americká strana spokojena s výsledkem, měla být dodána ještě nejméně jedna další laboratoř za přiměřenou cenu. ESRO naopak trvala na tom, že NASA nezačne vyrábět svůj vlastní Spacelab na základě toho evropského a to i v případě, že by při výrobě v Evropě nastaly nějaké problémy a laboratoř se nepodařilo doručit.

NASA souhlasila, že první operační let bude plánován společně a že evropské návrhy experimentů dostanou přednost před návrhy třetích stran, které by se týkaly stejných záležitostí. Další důležitou součástí smlouvy bylo, že při prvním letu bude na palubě raketoplánu přítomen alespoň jeden astronaut ze starého kontinentu. Tímto krokem se otevřela možnost vyslat do vesmíru také obyvatele západní Evropy. Střední a východní Evropa v čele s Vladimírem Remkem předběhla zbytek světa díky ruskému programu Interkosmos. I přesto ale nebyla účast evropských astronautů na budoucích letech raketoplánů jistá. NASA nemohla zaručit přítomnost evropských vědců při budoucích letech laboratoře, ani nekonečné přednostní právo Evropy na využívání Spacelabu oproti jiným státům. Dále americká agentura rezolutně zamítla přístup k jakýmkoliv technologiím nesouvisejícím s vývojem laboratoře Spacelab a vyhradila si právo nařídit změny na laboratoři v důsledku změn provedených na raketoplánu.

Spacelab byl vyvinut a postaven za velice nepříznivých hospodářských a technologických podmínek. Nezadržitelná inflace v sedmdesátých letech představovala velké finanční problémy pro zúčastněné členské státy. Zejména v zemích jako je Velká Británie či Itálie vzrostly náklady na projekt až o 17 procent. Souběžně s tím čelila laboratoř nejen svým vlastním technickým a inovativním problémům, ale navíc byla pod vlivem vyvíjeného raketoplánu, do kterého měla být integrována a jehož parametry byly pod neustálou revizí. Harmonogram startů ještě k tomu docela kolísal a jeho cenová politika byla značně nejistá. Odkládání startů raketoplánů sice Evropa vítala, jelikož měla více času na vyřešení technických problémů, ale jak je známo, prodlužování vývoje jakékoli technologie znamená další zvyšování nákladů. To vyústilo ve zvýšení rozpočtu na 140% původní ceny, které v květnu 1980 přijalo zasedání správní rady programu Spacelab.

Po mnohých problémech, několika změnách a průtazích konečně doráží do Kennedyho vesmírného střediska první letová jednotka obsahující dlouhý přetlakový modul a jednu externí paletu.

První Spacelab v nákladovém prostoru raketoplánu Columbia.
Zdroj: http://spaceinimages.esa.int/

Spacelab byl konfigurovatelný podle specifických požadavků mise, a tudíž se celý systém skládal z několika součástí. Tou hlavní byla samozřejmě samotná hermetická laboratoř, která umožňovala astronautům pobyt na její palubě. Byla válcovitého tvaru o vnějším průměru 4,12 m a skládala se ze dvou částí. Mohla být tedy připravena v krátké či dlouhé konfiguraci. Základní segment obsahoval podpůrné systémy, jako jsou například zařízení na zpracování dat nebo nástroje pro ovládání systémů externích palet (které mohly být použity v kombinaci s hermetickým modulem). Podlahu tvořilo množství úložných boxů pro různý materiál. Druhá část hermetického modulu, nazývaná experimentální segment, poskytovala více pracovního místa, jelikož už neobsahovala žádné subsystémy, ale pouze podlahové boxy. Strop každé části obsahoval 1,3 m široký otvor, ke kterému mohla být připojená malá přetlaková komora, průzor nebo jen prosté zaslepení. Každá část byla dlouhá 2,74 m. Když byly spojené, tak i s koncovými kužely měřily na délku 7 m a vnitřní objem činil 77 m³. V těchto kónických zakončeních bylo umístěno několik otvorů o průměru 40 cm, které sloužili jako další průzory nebo jimi byli vedeny kabely pro propojení se systémy orbitru. Bylo-li by zapotřebí jediného segmentu, mohl být použit ten základní. V praxi byla ale vždy použita dlouhá konfigurace, tedy oba segmenty tvořící jednu laboratoř. Celý hermetický modul byl napevno připojen k nákladnímu prostoru orbitru v pěti bodech pomocnou konstrukcí. Nebyl tedy samostatnou orbitální stanicí či laboratoří jako Skylab nebo Saljut, jak se někteří lidé, mylně domnívají. Spacelab nebyl projektován k samostatnému letu mimo nákladový prostor raketoplánu, ačkoli se ESA několikrát pokoušela protlačit tento návrh. Raketoplán tudíž zajišťoval Spacelabu dodávku elektrické energie, odvádění odpadního tepla, stabilizaci atd.

Skříně určené k instalaci vědeckého vybavení byly vybaveny standardními konektory pro připojení k elektrické síti, dále konektory pro přenos dat, konektory chladícího okruhu ad. Byli buďto jednoduché nebo dvojité s nosností 290, resp. 580 kg. V jednom segmentu byly umístěny tři skříně na každé straně, vždy dvě dvojité a jedna jednoduchá. V základním segmentu ale byly ale dvě dvojité skříně vyhrazeny pro pomocné subsystémy laboratoře, jak jsem popisoval v předešlém odstavci. Tudíž na užitečné experimentální zařízení zbývaly dvě dvojité a dvě jednoduché skříně. Naopak skříně druhého, experimentálního segmentu byly k dispozici všechny.

Možný náklad externích palet.
Zdroj: http://files.seds.org/

Druhou důležitou součástí laboratoře byly externí palety. Nejednalo se však o pouhé platformy pro připevnění experimentů. Byly také vybaveny konektory pro dodávku elektrické energie, konektory chladícího systému a datovými připojeními pro sběr dat a řízení. Používány byly zejména pro montáž přístrojů, které vyžadovaly umístění přímo v kosmickém prostoru, nebo pro rozměrná a těžká zařízení, jakými byli teleskopy, radary, antény atd. Šířka palety maximálně využívala šířky nákladového prostoru raketoplánu (4,35 m), na délku měřila necelé tři metry a její nosnost byla až tři tuny. Což už se dá využít pro pořádné těžkotonážní vědecké vybavení. Palety bylo možno použít spolu s hermetickou laboratoří a to až ve třech kusech. Pokud nebyl vynášen na orbitu hermetický modul, mohl tento počet dokonce vzrůst až na pět palet. V tom případě, ale muselo nahradit hermetický modul zařízení zvané Igloo, které jej zastoupilo v ovládání systémů palet.

Typické rozložení Spacelabu – přístupový tunel z paluby orbitru, hermetický modul laboratoře a za ním jedna externí paleta.
Zdroj: http://heasarc.gsfc.nasa.gov/

Kvůli vhodnému umístění těžiště orbitru musela být laboratoř umístěna v zadní části jeho nákladového prostoru. Musel být tedy vyroben spojovací tunel, kterým se mohla posádka přesouvat z paluby raketoplánu do Spacelabu a zpět. Tento tunel byl válcovitého tvaru s vnitřním průměrem jeden metr, o jehož výrobu se postarala americká firma McDonnell Douglas. Byl vytvořen po sekcích, aby mohl být přizpůsoben různé délce závislé na konfiguraci Spacelabu. Mohl tak být dlouhý buďto 5,76 m nebo pouhých 2,66 m. Celková konstrukce tunelu a jeho připojení umožňovala bezproblémové výstupy astronautů do volného kosmu. Během výstupu však byla zakázána přítomnost kohokoliv v přechodovém tunelu nebo samotné laboratoři.

Orientaci a stabilizaci Spacelabu v prostoru zajišťoval samotný raketoplán, a to s přesností +/- 1°. Jelikož ale byly na externí palety umisťovány vysoce přesné senzory a teleskopy, bylo potřeba zajistit jejich přesnější zaměřování. Za tímto účelem byl vyvinut IPS (Instrument Pointing System), tedy univerzální pointační zařízení. To bylo vždy umístěno na externí paletě a bylo schopno pracovat jak při osvětlení Sluncem tak v zemském stínu. Pro zjištění polohy využíval tři hvězdná čidla a jedno čidlo sluneční. Díky IPS se tak zvýšila přesnost orientace externích zařízení na jednu úhlovou vteřinu a hmotnost zaměřovaného vybavení mohla být až dvě tuny.

Známá fotografie hermetického modulu laboratoře s přechodovým tunelem pořízená z paluby Columbie během první mise STS-9.
Zdroj: http://img688.imageshack.us/

Jak už jsem zmínil výše, k tomu aby Spacelab mohl pracovat, musel být napojen na systémy raketoplánu. V mnohých klíčových oblastech tak byl na něm přímo závislý. První oblastí bylo zásobování elektrickou energií, bez které by žádné kosmické těleso nemohlo pracovat. Spacelab odebíral elektrickou energii z palivového článku C raketoplánu a část tohoto přísunu převedl na střídavý proud.  V každé skříni pro vědecké vybavení byl panel stejnosměrného proudu (28 V) a střídavého proudu (115/200 V). Celkové množství energie dostupné na Spacelabu činilo 890 kWh. Průměrně byl příkon laboratoře 7 kW po dobu jednoho týdne. Přitom během startu a přistání to byl pouhý 1 kW. Prodloužení doby letu nebo přísun většího množství elektrické energie bylo možné, ovšem pouze za současného snížení hmotnosti nákladu, jelikož bylo nutné palivové články zásobit větším množstvím kapalného kyslíku a vodíku.

Druhým klíčovým systémem bylo řízení a kontrola laboratoře, které zajišťoval povelový systém. Na Spacelabu pracovaly tři počítače. Jeden byl určen k řízení experimentů, druhý kontroloval subsystémy a třetí fungoval jako záložní. Dalšími částmi povelového systému byli vnější paměť k ukládání programů (šlo o magnetický rekordér s kapacitou dnes už směšných 16 MB), tři terminály pro přenos dat, paměť pro naměřená data a nakonec jednotky pro sběr dat malými rychlostmi (max 52,5 kbit/s). Také veškeré spojení Spacelabu se Zemí bylo uskutečňováno skrze raketoplán. V pásmu S bylo zajišťováno přenášení povelů z řídícího střediska, přenos dat o nízkých rychlostech a hlasová komunikace. V pásmu K_u pak byl přenášen videosignál a vysokorychlostní data. Veškerá komunikace raketoplánu pak probíhala standardně přes družice TDRS.

Další výpomoc raketoplánu se týkala odvádění tepla. Veškeré přebytečné teplo vytvářené experimentálními přístroji a posádkou bylo odváděno do radiátoru raketoplánu. Ovzduší Spacelabu tak mohlo být příjemné bez přebytečné vlhkosti a oxidu uhličitého. Celkem mohl raketoplán vyzářit až 8,5 kW přebytečného tepla z laboratoře a to jak s hermetického modulu, tak z externích palet.

Poslední důležitým systémem bylo zajištění životních podmínek posádky. Složení vzduchu ve Spacelabu bylo stejné jako na Zemi. Kyslík byl dodáván přímo z raketoplánu, kdežto dusík se nacházel v samostatné nádrži vně Spacelabu. Uvnitř bylo zajištěno proudění vzduchu rychlostí 0,1 – 0,2 m/s a jeho teplotu bylo možné nastavit od 18 do 27°C. Přitom ve skříních pro přístroje smělo být maximálně 35°C. Nejen při samotném letu, ale také během startu a přistání byla neustále kontrolována přítomnost kouře a s ním souvisejícího požáru. Hasicí zařízení byla umístěna jak ve skříních, tak pod podlahou. Navíc byly, samozřejmě, k dispozici i ruční, přenosné hasicí přístroje a kyslíkové masky. I když byly životní podmínky na Spacelabu příjemné a bezpečné, byla laboratoř určena výhradně k práci. Volný čas a práce nesouvisející přímo s experimenty v laboratoři se odehrávali na palubách raketoplánu.

První letem Spacelabu měla být mise STS-9, jenže provoz raketoplánu do značné míry závisel na americkém družicovém systému TDRS. Část dat získaných z experimentů se totiž rovnou odesílala na Zemi a tak program ohrožovaly počáteční problémy tohoto satelitního systému. Nicméně jakmile se tělesu TDRS-A přece jen podařilo dospět na použitelnou oběžnou dráhu a bylo aktivováno, výprava dostala zelenou. Politický přínos mezinárodní posádky na palubě raketoplánu převýšil nad rizikem potencionální ztráty dat v důsledku závislosti na jediném satelitu.

Ulf Merbold – první astronaut ESA, který se dostal do vesmíru.
Zdroj: http://img.ffffound.com/

28. listopadu 1983 konečně odstartoval v nákladovém prostoru raketoplánu Columbia Spacelab-1. Na palubě bylo šest astronautů. Jeden z nich byl Ulf Merbold z Německa. Stal se prvním astronautem ESA a zároveň prvním neamerickým astronautem, který letěl raketoplánem. Tento fyzik byl vybrán Evropskou kosmickou agenturou v roce 1977 jako možný palubní specialista. Spolu s ním byli vybráni Wubbo Ockels z Nizozemí a Claude Nicollier ze Švýcarska. Tato trojice se stala první evropskou skupinou astronautů. Ulf Merbold však neletěl pouze při misi STS-9. Do vesmíru se také dostal v roce 1992 při misi STS-42, kdy na palubě Discovery byla umístěna IML-1 (International Microgravity Laboratory), tedy Spacelab, v jehož útrobách se zkoumal vliv mikrogravitace na živé organismy i neživé materiály při různých procesech. Posledním dobrodružstvím Ulfa se stala 32denní mise EuroMir v roce 1994, při které se stal prvním astronautem ESA pracujícím na palubě Miru.

První mise Spacelabu, tedy výprava STS-9, byla navržena tak aby demonstrovala možnosti laboratoře napříč širokou škálou oblastí. Polovina všech experimentů patřila ESA. Spacelab letěl v konfiguraci PM+1, tedy hermetický modul plus jedna externí paleta. Celkový počet experimentů byl 70. Více než sto vědců zpracovávalo data z pokusů zabývajících se atmosférickou fyzikou, pozorováním Země, fyzikou plazmatu, biologií, studiem materiálů, astronomií, sluneční fyzikou a technologiemi.

Členové výpravy STS-9 shromáždění okolo monitoru v laboratoři Spacelab. Ulf Merbold je úplně vpravo.
Zdroj: http://www.astronautix.com/

Velitelem mise byl ostřílený John Young, který měl za sebou dva lety programu Gemini, let v Apollu 10 kolem Měsíce, přistání na Měsíci s výpravou Apollo 16 a také první ostrý let Shuttlu STS-1. Náhradníkem za Ulfa Merbolda byl již zmíněný Holanďan Wubbo Ockels. Při misi STS-9 se do vesmíru dostalo do té doby nejvíce lidí najednou, tedy šest. Posádka byla rozdělena do dvou tříčlenných týmů – červeného a modrého, které se střídaly po dvanácti hodinách a zahrnovaly tak pozemské pracovníky nepřetržitým tokem dat. Na konci desetidenní výpravy bylo shromážděno více vědeckých údajů než za celý program Skylab! Columbia přistála na ranveji 17 Edwards AFB 8. prosince 1983 v 15:47 místního času.  Práce na palubě šly tak perfektně, že mise byla prodloužena o jeden den.

Spacelab-1 tak nakonec zaznamenal obrovský úspěch jak z vědeckého, tak politického hlediska. Především bylo demonstrováno velmi široké spektrum využití této laboratoře. I po této první misi však Spacelab nadále dokazoval, že je nepřekonatelným přínosem. Během prvních osmi misí bylo provedeno 387 experimentů, na kterých se podílelo 148 vědeckých institutů z 26 zemí. Celkové množství misí Spacelabu však bylo nižší než plánované. Návrh předložený NASA v roce 1972 počítal až s 25(!!!) misemi ročně. Nakonec bylo těchto misí uskutečněno 22. Poslední se konal v roce 1998. Po ní se vědecká práce přesunula do americké laboratoře Spacehab a především na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS).

Nebylo však vše pouze růžové, jak by se mohlo zdát. Projekt Spacelabu vyvolal také několik negativních ohlasů, z nichž některé byly závažnějšího charakteru. Německý diplomat jednou nazval Spacelab nejdražším dárkem Evropy Americe od darování Sochy svobody. Doug Lord, programový ředitel NASA, dokonce napsal, že to bylo jako by Spojené státy najaly evropské vývojáře, aby postavili laboratoř s tím, že kontraktor používá své vlastní peníze. Dohoda mezi ESA a NASA, zejména s postupným rozvíjením projektu, odrážela vskutku nerovnoměrné rozložení sil mezi partnery ve značný prospěch USA. Na druhou stranu je potřeba říci, že ESA dosáhla toho čeho chtěla – levný způsob dopravy svých vlastních astronautů na oběžnou dráhu, obrovský posun v oblasti projektového řízení a položení politických, průmyslových a vědeckých základů ve spolupráci s NASA a americkou administrativou.

Kromě misí ESA se uskutečnili se Spacelabem také dvě mise čistě německé a jedna japonská. Tyto státy si zaplatily veškeré náklady s misí spojené. Ačkoli šlo na první pohled o stejné lety jako všechny ostatní, jednalo se o jediné neamerické a neevropské pilotované mise pod plným vedením Německa, resp. Japonska. První takovouto misí byla Deutschland 1, označovaná také D1 (STS-61A) v roce 1985. Druhou, podobnou misí byla D2 (STS-55) v roce 1993. Měla být sice uskutečněna již v roce 1988, ale kvůli katastrofě Challengeru se jí dostalo značného odkladu. A konečně japonská výprava Spacelab-J (STS-47) se uskutečnila v roce 1992.

Považuji za zajímavé ještě popsat možnost, kterou už jsem lehce nastínil výše, a to existenci Spacelabu jako orbitální laboratoře nezávislé na raketoplánu. V roce 1981 ESA vytvořila nástavbový program nazvaný Eureca (EUropean REtrievable CArrier), který se měl stát atraktivnějším jak pro vědecké, tak pro komerční experimenty. Eureca měla být čtyřtunová, volně se pohybující platforma, která by byla vynesena raketoplánem na LEO, odkud by se pomocí svého vlastního pohonu přesunula na vyšší oběžnou dráhu (cca 500 km). Zde by probíhalo množství dálkově ovládaných experimentů a po ukončení mise by se Eureca vrátila na nižší oběžnou dráhu, kde by byla vyzvednuta raketoplánem a dopravena zpět na Zemi pro své mnohonásobné využití. Bohužel, tento program nikdy nedošel naplnění.

Spacelab byl nejvýznamnějším mezinárodním projektem západní kosmonautiky, rozsahem srovnatelný se sovětským programem Interkosmos. Tato unikátní laboratoř položila základy vědecké práce, která nyní probíhá na ISS. Celkově bylo uskutečněno 22 misí, které významně přispěly k rozšíření obzorů v astronomii, fyzice, biologii, medicíně i dalších vědách. Odkaz Spacelabu se odrazil především na modulu MPLM (Multipurpose Logistics Module), který byl využíván raketoplánem pro dopravu nákladu na ISS. Dalšími následovníky a pokračovateli Spacelabu jsou dnes moduly ISS Columbus, Harmony a Tranquility, ale také nákladní lodě ATV nebo Cygnus. V neposlední řadě program Spacelab znamenal pro Evropu počátek účasti vlastních astronautů na pilotovaných misích. Ale o evropských astronautech a jejich vesmírných výpravách si povíme zase jindy.

Zdroje informací:
Spaceflight, Giles Sparrow, 2007, Dorling Kindersley
http://www.astronautix.com/
http://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://apod.nasa.gov/
http://3.bp.blogspot.com/
http://spaceinimages.esa.int/
http://spaceinimages.esa.int/
http://files.seds.org/
http://heasarc.gsfc.nasa.gov/
http://img688.imageshack.us/
http://img.ffffound.com/
http://www.astronautix.com/